100 MeV強流質子回旋加速器的調試

葛 濤，張天爵，呂銀龍，紀 彬，賈先祿，溫立鵬，殷治國，李要乾，李世強，劉振威，曹 磊，王 雷，符振輝，蔣 昊

(中國原子能科學研究院 回旋加速器研究設計中心，北京 102413)

100 MeV強流質子回旋加速器(CYCIAE-100)是目前國際上最大的緊湊型強流質子回旋加速器，也是中國目前自主創新、自行研制的能量最高的質子回旋加速器。其設計指標為：能量75～100 MeV連續可調，束流強度200 μA，可雙向引出[1-2]。CYCIAE-100包含了離子源系統、注入及中心區系統、主磁鐵系統、高頻系統、束流引出系統、束流輸運系統等20多個子系統。緊湊型回旋加速器的結構特點是主磁鐵采用整體型緊湊結構，其他加速器主體及束流診斷、引出等子系統均設計、安裝于緊湊磁鐵之中。為確保加速器高效運行，實現加速器引出束流的高功率，對加速器的調試提出了高度要求。目前該加速器完成分系統、整機調試，已開展多項物理實驗。本文介紹CYCIAE-100調試過程，并重點介紹調試過程解決的一些關鍵技術問題以及調試結果。

1 加速器調試過程

CYCIAE-100的調試過程主要包括：離子源調試、注入線調試、內靶小半徑束流調試、內靶大半徑小束流調試、剝離引出靶小束流調試、不同能量點近靶小束流調試、功率靶小-中束流調試、功率靶大束流調試[1]等。CYCIAE-100于2012年9月開始現場安裝；2012年12月，加速器主磁鐵、高頻腔、主真空室等主體部件安裝完成；2013年7月，100 kW高頻功率源安裝完成，2013年11月，開始高頻鍛煉；2013年11月，離子源、注入線安裝調試完成；2013年12月，開始束流調試，中心區加速前得到320 μA束流；2014年7月外靶出束，引出20 μA束流；2015年5月，100 MeV回旋加速器與ISOL系統聯合調試成功，首次用100 MeV質子束驅動ISOL系統產生38K放射性核束；2016年11月，開展單粒子效應物理實驗，實現首次物理實驗供束；2017年1月，開展首次白光中子靶實驗，獲得白光中子束；2017年9月，開展放射性核束物理實驗，獲得20Na放射性核束；2017年11月，首次實現雙向剝離引出物理實驗供束；2018年12月，實現200 μA束流引出實驗,最大引出束流達到519 μA。

2 調試方法及調試過程中關鍵問題

CYCIAE-100的安裝、調試過程中，遇到并解決了諸多技術問題，以下僅介紹幾個主要系統的調試方法及關鍵技術問題的解決。

2.1 H-離子源

CYCIAE-100所使用的H-離子源，在中國原子能科學研究院10、14 MeV等回旋加速器上已廣泛應用[3]。圖1為H-離子源結構。離子源的調試主要是利用法拉第筒作為接收靶，優化離子源相關參數，同時利用發射度測量儀，檢測離子源出口的束流發散度，以獲得較理想的離子源引出束流。調試過程中，采取改進措施來提高束流的強度及發散度，例如優化燈絲直徑和形狀、優化腔體磁場、優化引出口部分的機械結構、提升氫氣注入的純度及穩定度、合理匹配相關電源參數等。特別是提升H-離子源在-40 kV電位上的穩定運行方面進行了大量的實驗。離子源的引出吸極口處是高壓打火最頻繁的位置，此部分結構較復雜，絕緣距離小，且離子源工作時，該部分由于氫氣注入，真空度較差。這些綜合工況，導致了高壓極易發生打火。針對該情況，重新計算優化了引出吸極口處磁場的大小及分布，并對吸極的機械結構進行優化設計，增加吸極與地電極之間的絕緣距離，為離子源的導向線圈增加了屏蔽罩。通過這些優化措施，離子源可穩定運行在-40 kV高壓電位上，高壓打火現象明顯減少。最終，CYCIAE-100的H-離子源最大引出束流達到18 mA，引出束流為4 mA時束流發散度為0.33 πmm·mrad。

圖1 H-離子源結構Fig.1 Structure of H- ion source

2.2 軸向注入線

綜合考慮光學計算結果和工程可靠性及易操作性等因素，確定CYCIAE-100的軸向注入線聚焦結構為：螺旋管透鏡-四極透鏡-四極透鏡-四極透鏡-螺旋管透鏡，束流從下向上沿著主磁鐵的旋轉對稱軸軸向注入[4]，如圖2所示。軸向注入線的調試主要利用偏轉板作為接收靶，利用光闌等其他診斷元件為輔助手段，優化注入線參數，提高注入線束流傳輸效率[1]。影響軸向注入線的傳輸效率有多個因素，其中軸向注入線的安裝精度是關鍵因素之一。因此，在軸向注入線安裝時，采取激光定位等手段來確保軸向注入線的安裝精度達到設計要求。調試過程中，采取多種措施提高注入線的傳輸效率，如在注入線的適當位置增加觀察口，利用光闌觀察束流光斑；提升注入線整體真空度；合理匹配注入線四極透鏡、螺旋管透鏡電源參數等。而對于軸向注入線傳輸效率的測量、計算，利用了偏轉板作為接收靶，分別進行了上、下偏轉板單獨接收測量和上、下偏轉板整體接收測量等反復測量計算注入線的傳輸效率。最終，經過反復調試，軸向注入線的傳輸效率達到99%以上。

圖2 軸向注入線結構Fig.2 Structure of axial injection system

2.3 注入中心區

在中心區，離子受到分布復雜的電場和磁場作用，運動軌跡復雜，中心區的許多結構設計均基于實驗或工程經驗展開。中心區的調試主要利用絕緣銅塊作為接收靶，將絕緣銅塊放置于中心區不同位置，分別測量絕緣銅塊接收的束流，來實現對中心區束流傳輸效率的測量，同時，通過提升安裝精度等確保中心區整體工作的穩定性。中國原子能科學研究院研制的10 MeV與14 MeV兩臺小型回旋加速器中心區，在小束流下可穩定工作，在大束流下曾出現打火、局部過熱、正負偏轉板打火導致電源過流保護等問題[5]。因此在CYCIAE-100的中心區設計、安裝、調試過程中，充分考慮了在10 MeV與14 MeV兩臺小型回旋加速器上獲得的工程經驗，采取多種措施來保證中心區在大束流條件下的穩定工作。如整體結構上，采用了中間法蘭分離面的方案，解決了高頻電場在中心區打火問題，避免了偏轉板泄漏電場對束流第1圈的干擾；采用專用工裝來保證定位精度，通過工裝保證了中心區零件的安裝精度。對于中心區束流傳輸效率的調試測量，分別在中心區出口處束流第1次加速前、束流第2次高頻加速后、束流第3次高頻加速前、束流第4次高頻加速后安裝絕緣銅塊接收束流；在束流能量1 MeV處，放置水冷內靶接收束流進行測量，并通過反復匹配離子源、注入線等相關電源參數來調試中心區的束流傳輸效率。

2.4 高頻系統

CYCIAE-100的高頻系統由2套相對獨立的λ/2射頻腔體、2臺100 kW發射機、2套射頻低電平系統及傳輸線系統組成[6]。高頻系統的調試主要分為高頻腔體和發射機的調試，針對高頻腔體，主要是諧振頻率以及無載品質因數、加速器電壓的調試，如通過調節微調電容板的間距，使諧振頻率達到設計要求；固定腔體的微調電容板、耦合電容板的間距，利用小電容測量Dee電壓分布等。發射機的調試分為3個階段：假負載調試、信號源調試和低電平系統調試。整個系統聯調及常規運行過程中需監控高頻系統Dee電壓幅度、相位、入射功率和反射功率等相關參數。高頻系統具有聯鎖保護機制，當主真空、主磁場等外部條件正常時，高頻系統才能解除信號封閉，當功率反射過大等情況發生時，低電平系統及保護裝置可通過關斷低電平系統輸出的激勵信號，禁止射頻系統輸出功率，實現設備的安全聯鎖。應用于100 MeV回旋加速器的高頻系統，在運行過程中同時檢測腔體中是否發生高頻打火，當打火頻繁時，高頻系統同樣會封鎖高頻激勵信號，從而保護設備安全。由于載束情況不同，曾經出現保護過于頻繁的現象，通過分析，修訂功率反射保護與打火保護的門限，使CYCIAE-100的高頻系統能快速運行在所需功率條件下，實現了系統長期安全、穩定運行。

2.5 束流測量診斷系統

CYCIAE-100的束流測量診斷系統，在加速器束流性能調試、加速器關鍵參數優化等過程中起到重要作用，為加速器的調試提供了有效可靠的檢測手段和實時準確的束流信息。該系統包含了多種束測器件，如法拉第筒、熒光靶、雙絲掃描儀、發射度測量儀等。準確高效實現束流相關技術指標的精準測量是影響加速器穩定運行的重要因素。大部分的束流測量器件在使用前會進行模擬測試，通過模擬束流信號檢驗相關束測器件的測量性能。受緊湊型加速器空間影響，部分束測設備的探頭結構設計上盡可能簡單，部分束測設備具備了多種測量功能，如徑向探測靶等。在實際的調試過程中，發現良好的接地系統、高質量的線纜、良好的測量儀器是影響束流測量診斷系統的幾個較關鍵的因素。為此，采取一些必要的技術措施來提高束流測量診斷系統的整體性能及穩定性，如采用低噪聲同軸線作為束測信號線；改進束流測量設備接地；對各路測量值的零點通過硬件及軟件進行消除等。

3 加速器的調試結果

3.1 離子源及注入線中心區的調試結果

為確保CYCIAE-100主要設計技術指標的實現，如引出束流200 μA，需H-離子源的束流強度及束流發散度達到一定的技術指標。通過提高H-離子源多峰場的磁場強度、優化電子磁過濾等使H-離子源的引出束流強度得到了提高，平均束流強度超過10 mA，最大束流強度達到18 mA，束流歸一化發射度列于表1。

表1 H-離子源不同流強下的歸一化發射度Table 1 Measured normalized emittances under different beam intensities

由H-離子源產生的H-，通過軸向注入線傳輸并在中心區內偏轉為水平方向進入回旋加速器中心平面，由高頻電壓吸引開始加速。束流在中心區內的運動軌跡十分復雜，合理的匹配注入線相關電源參數，提高注入線的傳輸效率，對于規范束流在中心區內的運動軌跡，減少頭兩圈內的損失至關重要。在束流能量1 MeV的位置處，放置水冷內靶測量中心區偏轉效率。獲得了較理想的調試結果，在離子源束流為4.3 mA的條件下，測得水冷內靶上最大束流為696 μA。從離子源束流和內靶束流測量值計算得出，從離子源到加速器內靶束流總效率(包括注入線上的傳輸效率、中心區的注入效率及高頻俘獲效率)為16%。

3.2 高頻系統及束流加速效率調試結果

CYCIAE-100的兩個高頻腔體經過精細調整，達到臨界耦合狀態。其中，南側的高頻腔體諧振頻率為44.66 MHz時，有載品質因數為4 805.4，無載品質因數為9 610.8；北側高頻腔體諧振頻率為44.62 MHz時，有載品質因數為4 821.1，無載品質因數為9 642.2，達到設計指標。經過信號源高頻鍛煉、低電平高頻鍛煉后，高頻腔體工作正常，在單個高頻腔體功率損耗約為33 kW時，中心區D電壓達到60 kV，滿足物理設計要求。

在高頻系統等調試完成，并獲得束流注入及偏轉的理想效率后，束流具備加速引出的條件，H-離子在主磁場的作用下，其旋轉頻率與高頻加速器頻率保持同步，離子即可被加速引出。而主磁場沿半徑方向的等時性是決定束流加速效率的關鍵因素，因此，通過對主磁場、高頻頻率及相位、加速器電壓的合理匹配可獲得最佳的等時性條件。CYCIAE-100設有東、西2個方向的橫向插入徑向靶，通過徑向靶由中心區向加速器外延方向的穩定移動可實現在線實時測量束流，并與內靶束流對比，可實現對束流加速器效率的測量。圖3為徑向靶束流測量結果，從圖3可看出，CYCIAE-100的加速效率約為100%。

圖3 徑向靶束流測量Fig.3 Beam measurement on radial target

3.3 束流引出調試結果

CYCIAE-100設有南、北2個徑向插入剝離靶，每個剝離靶安裝有12個碳膜，可實現在線更換剝離膜。通過調整剝離靶的徑向插入位置，可實現H-離子75～100 MeV能量區間的剝離引出。H-離子被加速至一定能量后，穿越剝離膜，失去兩個電子后，變成質子，通過微調剝離膜的角度，在磁場的作用下，改變運動方向，被引出主真空室，注入到相應的束流線。

首次束流引出調試是在CYCIAE-100的北向束流線上進行的，在北向束流線與加速器的連接處設有引出開關磁鐵，引出開關磁鐵后設有法拉第筒及熒光屏。在束流加速效率調試的基礎上，進行束流引出調試，通過合理匹配剝離靶的位置、剝離膜的角度以及引出開關磁鐵的磁場，分別通過法拉第筒測量束流強度，熒光屏進行對光，獲得了理想的束流引出調試結果。通過對比法拉第筒與剝離膜上的束流測量結果，發現束流在引出過程中幾乎沒有損失，引出效率約為100%。經過首次調試出束后，CYCIAE-100陸續開展了多項物理實驗，并進行了多項技術改進工作，2018年11月，在Beamdump束流線，CYCIAE-100開展了大流強引出束流實驗，最終獲得了520 μA的最大引出束流，圖4為Beamdump靶的束流測量曲線。

圖4 Beamdump靶束流測量Fig.4 Beam measurement on Beamdump target

4 總結

截至2018年底，CYCIAE-100完成了主磁鐵系統、高頻系統、注入線及中心區系統、引出系統等多個子系統的調試，以及整機的調試，開展了多項物理實驗，已穩定運行近2 000 h，為國內多家用戶單位提供了實驗所需束流。該加速器的調試成功和穩定運行，證明了中國原子能科學研究院在強流回旋加速器領域積累了大量的建造和調試經驗，具備了發展更高能量、更高功率強流質子回旋加速器的能力。